交通灯控制器课程设计.doc

一 课程设计的内容 设计功能要求 设计一个十字路口的红 绿 黄三色信号交通灯控制电路 二 课程设计的要求与数据 1 用红 绿 黄三色发光二极管作信号灯 主干道为东西向 有红 绿 黄三个灯 支干道为南北向 也有红 绿 黄三个灯 红灯亮禁止通行 绿灯亮允许通行 黄灯亮则 给行驶中的车辆有时间停靠到禁行线之外 2 由于主干道车辆较多而支干道车辆较少 所以主干道绿灯时间较长 当主干道允许 通行亮绿灯时 支干道亮红灯 而支干道允许通行亮绿灯时 主干道亮红灯 两者交替重 复 主干道每次放行 50 秒 支干道每次放行 30 秒 在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间 需要亮 5 秒的黄灯作为过渡 以使行驶 中的车辆有时间停靠到禁行线以外 3 能实现正常的 即时显示功能 用 DE2 上的四个七段数码管作为倒计时显示器 分别显示东西 南北方向的红灯 绿灯 黄灯时间 4 能实现特殊状态的功能显示 设 S 为特殊状态的传感器信号 当 1 时 进入特殊 状态 当 0 时 退出特殊状态 按 S 后 能实现特殊状态功能 1 显示器闪烁 2 计数器停止计数并保持在原来的数据 3 东西 南北路口均显示红灯状态 4 特殊状态结束后 能继续对时间进行计数 5 能实现总体清零功能 按下 R 后 系统实现总清零 计数器由初始状态开始计数 对应状态的指示灯亮 6 利用 QUARTUS 软件 设计符合以上功能要求的交通灯控制器 用图形输入方 法 控制器 计数器的功能用功能仿真的方法验证 可通过观察有关波形确认电路设计是 否正确 通过编译 仿真和综合 并下载到相应芯片中实现 最后在学习机上验证设计课 题的正确性 在学习机上验证结果 三 课程设计应完成的工作 根据设计要求 选取实现各种功能的集成芯片 划分各个功能模块 用 QuartusII 绘制电路原理图 并分配引脚 编译仿真 接入 DE2 电路板进行功能测试 I 对有缺陷的功能模块进行分析修改 以完善功能 完成课程设计报告书 四 课程设计进程安排 序 号 设计各阶段内容地点起止日期 1 Quartus II 入门学习 熟悉设计流程实 2 214 06 28 2 进一步学习 Quartus II 讲解各设计任务及 其要求 分配设计任务实 2 214 06 28 3 通过查阅资料 独立完成电路设计 提交 纸质电路原理图草稿实 2 214 06 29 4 在 Quartus II 和 DE2 板上实现设计实 2 214 06 30 07 03 5 演示和验收实 2 214 07 05 07 07 6 完成设计报告 07 07 五 应收集的资料及主要参考文献 1 Allen Denver Serial Communications in Win32 OL 2 阎石等 数字电子技术基础 M 北京 高等教育出版社 2006 5 发出任务书日期 2010 年 06 月 29 日 指导教师签名 计划完成日期 计划完成日期 2010 年年 07 月月 07 日日 基层教学单位责任人签章 基层教学单位责任人签章 主管院长签章 主管院长签章 摘摘 要要 本文是关于交通灯控制器 采用 Altera DE2 实验版进行实验设计 采用 74 系列数字芯片进 行逻辑电路的搭建 实现课题所要求的功能 在 Quartus2 上建立对应的数字逻辑电路图 根据操作流程 进行功能仿真和时序仿真 达到要求目的以后 生成目标文件配置 DE2 版 实现任务设计 关键词 关键词 DE2DE2 版版 7474 系列数字芯片系列数字芯片 逻辑功能逻辑功能 II 目目 录录 1 设计任务目的与要求设计任务目的与要求 4 1 1 设计目的设计目的 4 1 2 设计要求设计要求 4 2 模块及其原理介绍模块及其原理介绍 6 2 1 设计总图设计总图 7 2 2 各元件部分功能模块各元件部分功能模块 8 3 设计方案 设计方案 9 3 1 设计思路设计思路 9 3 2 原理框图原理框图 12 3 3 流程图流程图 12 4 实验结果与数据分析实验结果与数据分析 13 4 1 操作步骤 13 5 结论与问题讨论 13 5 1 完成设计要求的程度完成设计要求的程度 13 5 25 2 问题及解决方问题及解决方 法法 13 13 5 35 3 存在的不足及改进思存在的不足及改进思 路路 13 13 5 45 4 心得体心得体 会会 13 13 6 参考文献参考文献 14 III 1 设计任务目的与要求设计任务目的与要求 1 1 设计任务目的 旨在加强学生对数字电子技术的认识 提高学生的课程设计水平 加强学生的实验能力 1 设计一个十字路口的红 绿 黄三色信号交通灯控制电路 2 利用 DE2 板对所设计的电路进行验证 3 总结电路设计结果 1 2 设计任务要求设计任务要求 1 用红 绿 黄三色发光二极管作信号灯 主干道为东西向 有红 绿 黄三个灯 支干道为南 北向 也有红 绿 黄三个灯 红灯亮禁止通行 绿灯亮允许通行 黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停 靠到禁行线之外 2 由于主干道车辆较多而支干道车辆较少 所以主干道绿灯时间较长 当主干道允许通行亮绿灯时 支干道亮红灯 而支干道允许通行亮绿灯时 主干道亮红灯 两者交替重复 主干道每次放行 50 秒 支 干道每次放行 30 秒 在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间 需要亮 5 秒的黄灯作为过渡 以使行驶中的车辆有时 间停靠到禁行线以外 3 能实现正常的 即时显示功能 用 DE2 上的四个七段数码管作为倒计时显示器 分别显示东西 南北方向的红灯 绿灯 黄灯时间 4 能实现特殊状态的功能显示 设 S 为特殊状态的传感器信号 当 1 时 进入特殊状态 当 0 时 退出特殊状态 按 S 后 能实现特殊状态功能 1 显示器闪烁 2 计数器停止计数并保持在原来的数据 3 东西 南北路口均显示红灯状态 4 特殊状态结束后 能继续对时间进行计数 1 5 能实现总体清零功能 按下 R 后 系统实现总清零 计数器由初始状态开始计数 对应状态的指 示灯亮 6 利用 QUARTUS 软件 设计符合以上功能要求的交通灯控制器 用图形输入方法 控制器 计 数器的功能用功能仿真的方法验证 可通过观察有关波形确认电路设计是否正确 通过编译 仿真和综 合 并下载到相应芯片中实现 最后在学习机上验证设计课题的正确性 在学习机上验证结果 2 模块及其原理介绍模块及其原理介绍 2 2 1 设计电路总图 VCC S INPUT VCC CLOCK27 INPUT GA OUTPUT RA OUTPUT YA OUTPUT GB OUTPUT RB OUTPUT YB OUTPUT G1 OUTPUT G2 OUTPUT G3 OUTPUT G4 OUTPUT G5 OUTPUT G6 OUTPUT G7 OUTPUT B1 OUTPUT B2 OUTPUT B3 OUTPUT B4 OUTPUT B5 OUTPUT B6 OUTPUT B7 OUTPUT G8 OUTPUT G9 OUTPUT G10 OUTPUT G11 OUTPUT G12 OUTPUT G13 OUTPUT G14 OUTPUT B8 OUTPUT B9 OUTPUT B10 OUTPUT B11 OUTPUT B12 OUTPUT B13 OUTPUT B14 OUTPUT PRN J CLRN K ENA Q JKFFE inst PRN J CLRN K ENA Q JKFFE inst1 NOT inst3 NOT inst4 AND2 inst5 AND2 inst6 AND2 inst7 AND2 inst8 OR2 inst9 AND2 inst10 OR2 inst12 AND2 inst13 AND2 inst14 OR2 inst15 BCD COUNTER LDN A C B D GN CLK DNUP QA QB QD QC MXMN RCON 74190 inst17 BCD COUNTER LDN A C B D GN CLK DNUP QA QB QD QC MXMN RCON 74190 inst18 MULTIPLEXER A1 A2 B2 B1 D1 C2 C1 CLKN WRSL D2 QA QB QC QD 74298 inst19 MULTIPLEXER A1 A2 B2 B1 D1 C2 C1 CLKN WRSL D2 QA QB QC QD 74298 inst20 BCD TO 7SEG A C D B RBIN BIN LTN OC OE OD OF OG OB OA RBON 7448 inst22 BCD TO 7SEG A C D B RBIN BIN LTN OC OE OD OF OG OB OA RBON 7448 inst23 AND3 inst24 AND3 inst25 AND3 inst26 OR3 inst27 AND3 inst28 AND3 inst29 AND3 inst30 AND3 inst31 OR3 inst32 AND3 inst33 VCC NOT inst55 AND2 inst21 AND2 inst34 AND2 inst35 AND2 inst36 OR2 inst37 AND2 inst38 AND2 inst39 OR2 inst40 AND2 inst41 AND2 inst42 OR2 inst43 BCD COUNTER LDN A C B D GN CLK DNUP QA QB QD QC MXMN RCON 74190 inst44 BCD COUNTER LDN A C B D GN CLK DNUP QA QB QD QC MXMN RCON 74190 inst45 MULTIPLEXER A1 A2 B2 B1 D1 C2 C1 CLKN WRSL D2 QA QB QC QD 74298 inst46 MULTIPLEXER A1 A2 B2 B1 D1 C2 C1 CLKN WRSL D2 QA QB QC QD 74298 inst47 BCD TO 7SEG A C D B RBIN BIN LTN OC OE OD OF OG OB OA RBON 7448 inst48 BCD TO 7SEG A C D B RBIN BIN LTN OC OE OD OF OG OB OA RBON 7448 inst49 VCC VCC GND AND2 inst16 VCC FREQ DIV A D C B CLK1 CLRN E CLK2 TP2 TP1 Q TP3 74292 inst50 GND VCC VCC NOT inst2 NOT inst61 AND2 inst11 NAND2 inst60 NOT inst54 AND2 inst58 NOT inst63 3 2 2电路模块及工作原理介绍 电路模块及工作原理介绍 2 2 12 2 1 显示译码模块显示译码模块 显示译码器有显示译码器有 7 7 段可发光的线段组成 每个线段都是发光二极管 段可发光的线段组成 每个线段都是发光二极管 发光二极管使用的材料与普通的二极管不同 外加正电压的时候 发光二极管使用的材料与普通的二极管不同 外加正电压的时候 大量的电子和空穴在扩散过程中复合 其中一部分电子从倒带跃大量的电子和空穴在扩散过程中复合 其中一部分电子从倒带跃 迁到介带 把多余的能量以光的形式散发出来 迁到介带 把多余的能量以光的形式散发出来 译码显示流程图译码显示流程图 2 2 2 74292 可编程序分频器 通过分频器实现不同倒计时之间的转换 主干道与支干道 的红绿灯倒计时不一致 他们之间有不同的频率 通过分频 器到 74190 计数器和 74298 数据选择器 BCD TO 7SEG A C D B RBIN BIN LTN OC OE OD OF OG OB OA RBON 7448 inst22 FREQ DIV A D C B CLK1 CLRN E CLK2 TP2 TP1 Q TP3 74292 inst50 4 2 2 3 74298 74298 为带储存的四组 2 选 1 数据选择器 数据选择器 S 可选两个 4 位数据 中的一个 在时钟端 CP 脉冲下降沿作用下被选择数据传送到输出端 1Q 4Q 2 2 4 74190 用两个用两个 7419074190 芯片连成一个从芯片连成一个从 9999 倒计时到倒计时到 0000 的计数器 其中把个位数的计数器 其中把个位数 的的 7419074190 芯片芯片 CLKCLK 连接到脉冲发生器 再把个位数连接到脉冲发生器 再把个位数 7419074190 输出端的输出端的 QAQA QDQD 用一个与门链接到十位数用一个与门链接到十位数 7419074190 的的 CLKCLK 端 端 3 设计方案设计方案 3 1 设计思路设计思路 交通灯控制器的框图如图 1 所示 包括置数模块 计数模块 主控模块 译码器模块和数据选择器 模块几个部分 置数模块将交通灯的点亮时间预置到置数电路中 计数模块以基准时间秒为单位做倒计 时 当计数值减为零即预置时间到 主控电路改变输出状态 电路进入下一个状态的倒计时 译码器模 块将主控电路的当前状态译码为红 绿 黄三色灯的点亮信号 其中 核心部分是主控制模块 MULTIPLEXER A1 A2 B2 B1 D1 C2 C1 CLKN WRSL D2 QA QB QC QD 74298 inst19 BCD COUNTER LDN A C B D GN CLK DNUP QA QB QD QC MXMN RCON 74190 inst17 5 1 主控器模块 根据设计任务 共有 4 种状态 可以用二位二进制码 S1 S0 表示 若将红 绿 黄灯分别用 R G Y 表示 A B 分别代表主干道的东西向和支干道的南北向 设主干道绿灯亮的时间为 TA 支干 道绿灯亮的时间为 TB 黄灯亮的时间为 TY 则有如图 1 所示交通灯控制状态图 根据这个状态图可得出主控制器的电路 该电路可设计成时序电路 也可以设计成组合电路并在输 出端加触发器 2 译码电路 译码电路将主控器的输出状态 S0 S1 译码为东西 南北方向 6 个交通灯的信号 1 表示亮灯 0 表 示灭灯 对应的真值表如表 1 所示 采用真值表写出逻辑式后 画出交通灯的译码电路 3 置数模块 置数模块分为 A B 二个部分 分别给东西 南北方向的计数器 A 和 B 提供计数时的初始值 它们 都是两位 BCD 码 置数模块 A 的预置数据如表 2 所示 1态 RA GB 态 YA RB 1 1 态 GA RB 1 态 RA YB TA 1 TY 1 TB 1 TY 1 TY 0 TB 0 TY 0 50秒秒未未到到 保保持持原原态态 50秒秒到到 转转下下一一状状态态 5秒秒未未到到 保保持持原原态态 5秒秒到到 转转下下一一状状态态 30秒秒未未到到 保保持持原原态态 30秒秒到到 转转下下一一状状态态 5秒秒未未到到 保保持持原原态态 5秒秒到到 转转下下一一状状态态 TA 0 图 1 交通灯控制器状态图 表 1 交通灯控制器的真值表 S S1 S2AG AR AY BG BR BY 1 X X 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 表 2 置数模块 A 的预置数据表 6 主控制器状态置数模块 A 的数据 S1 S0Q31A Q21A Q11A Q01A Q30A Q20A Q10A Q00A 0 00 0 0 0 0 1 0 1 0 10 0 1 1 0 1 0 1 1 00 0 0 0 0 1 0 1 1 10 1 0 1 0 0 0 0 4 计数模块 计数模块接收置数模块数据后 在秒脉冲作用下进行减法计数 当计时时间到达 则重置数据后再 进行减运算 计数模块也有 和 两个 计数模块可以用可预置十进制减计数器 连接成两位十进制计数器 5 数据选择器 MUX 当出现特殊情况时 要求计时显示发生闪烁 因此 可在计数器后面加入二选一的数据选择器 或 其它器件 用 S 和 CP 控制 2 原理框图 交通灯控制器框图如图 2 个 位 十 位 译码器 译码器 MUX 计数器A 置数器A 个 位 十 位 译码器译码器 MUX 计数器B 置数器B 绿 黄 红 红 黄 绿 东西方向显示器 南北方向显示器 主控制器 特殊状态清零时钟 图 2 交通灯控制器框图 7 3 流程图 4 实实 验结果与数据分析验结果与数据分析 1 1 在在QuartusIIQuartusII 软件上创建工程文件进行编译 分配引脚 连接软件上创建工程文件进行编译 分配引脚 连接 DE2DE2 版 配置版 配置 FPGAFPGA 2 2 按复位按键 计数器开始计时 显示译码器上显示时间 按复位按键 计数器开始计时 显示译码器上显示时间 3 3 再按复位按键 计数器暂停工作 显示译码器清零 再按复位按键 计数器暂停工作 显示译码器清零 5 结论与问题讨论结论与问题讨论 5 1 完成设计要求的程度 我们组所完成的交通灯 电路图是设计出来了 但由于知识和理论的缺乏 编译的功能是能 够实现 但功能是无法实现 可能是 DE 板的问题 5 25 2 问题及解决方法问题及解决方法 错误情况 无法实现交通灯功能 错误情况 无法实现交通灯功能 错误原因 可能错误原因 可能 DEDE 板的问题板的问题 错误改正 鉴于实验室情况 无法更换错误改正 鉴于实验室情况 无法更换 DEDE 板板 5 35 3 存在的不足及改进思路存在的不足及改进思路 对与这个电路的设计 不足还是存在的 我们所设计的交通灯 存在多种原因无法实现 鉴对与这个电路的设计 不足还是存在的 我们所设计的交通灯 存在多种原因无法实现 鉴 于知识和理论的缺乏 我们目前是无法通过自己的力量实现这个功能的 所以对于大二的我于知识和理论的缺乏 我们目前是无法通过自己的力量实现这个功能的 所以对于大二的我 们来说 对于年轻的我们来说 时间还是有的 只要我们花多时间在数字电子技术上 功能们来说 对于年轻的我们来说 时间还是有的 只要我们花多时间在数字电子技术上 功能 还是会实现的 还是会实现的 5 45 4 心得体会心得体会 在本次的实验过程当中 我们小组的人员都非常努力 大家同心协力去翻阅资料 废寝在本次的实